球狀納米碳在功能涂料中的應用進展

（風禾盡起科技（北京）有限公司，北京 100018）

納米復合材料是近年來興起并快速發展的一種復合材料。與以往的復合材料相比，納米復合材料至少有一相微觀構造達到納米數量級。隨著電子工業和石油化工行業的持續快速發展，導電高分子復合材料獲得長足的發展與進步。通常，功能涂料主要是把石墨、炭黑等顏色較深的填料和金屬、金屬氧化物等粉末填料加入高分子材料，但是高分子材料通常不具有導電性能，在對其進行反復復合后，制備完成的導電材料能夠擁有良好的導電性能和物理機械性能。當前，它在電子工業和石油化工行業中普遍應用。

1 球狀石墨納米碳的結構及性能

1.1 球狀納米碳的結構

納米碳（Nanocarbon）具備強大的導電性，材料比表面積很大，比較適合作為導電填料[1]。球狀納米碳呈橢圓形或球狀，在環氧涂料里，彼此接觸容易，只需要加入少量就可以使其滿足防靜電要求。可是，納米碳彼此之間擁有非常強大的π-π鍵，在范德華力作用下，納米碳會出現團聚現象，制約了其有效應用。

納米碳里的碳原子使用sp2雜化，六角形具備的網格結構會呈現不同程度的彎曲度，構成一種空間拓撲結構。當然，sp3雜化鍵也會經常出現，sp2與sp3彼此依存，混合出現。球狀納米碳是從石墨片中經摩擦電剝離而形成的一種球狀結構[2]。

1.2 球狀納米碳的性能

納米碳具有特殊的分子結構，其本身具備優越的物理性能和化學性能，如質量較輕、強度較高。其sp2和sp3的雜化概率存在差異，擁有非常大的長徑比，使得納米碳的彈性比其他材料更勝一籌。納米碳的分子結構具有螺旋特性，與一般吸收材料相比，納米碳制備的吸波材料吸收率較高。納米碳具備良好的導電性能、光學性能和熱傳導性能，可以與金屬結構媲美，其耐酸、耐堿性和熱穩定性也十分優異，其強度比碳纖維材料高。目前，我國納米碳研究比較滯后，如果想要提高其強度，就要盡可能降低碳纖維直徑，提升縱橫比。球狀納米碳是一種經典的納米材料，其縱橫比十分可觀[3]。從粒徑結構來看，在復合材料中，納米碳不會產生顯著負面變化，卻可以促進復合材料快速聚合，強化導電性能。納米碳具有突出的結構優勢，可以不斷提高聚合物的電導率，卻不削弱性能。

2 納米碳在涂料中的應用

2.1 導靜電涂料

導靜電涂料是一種涂在高電阻率分子材料上的特種涂料，具備傳導電流、排除積累靜電荷的能力，可以將其涂在很多形狀各異的基材表面或內部。導電涂料可以分成兩大類，即結構型導電涂料和復合型導電涂料[4]。

結構型導電涂料是指以結構型導電聚合物為成膜物質所制成的導電涂料。復合型導電涂料是指以高分子聚合物為基礎，添加導電物質，使材料具備導電作用。它不僅擁有導電能力，還擁有高分子聚合物的很多優異特性，能夠優化涂料的電學與力學性能，其制作成本較低，操作簡便，應用比較廣泛。復合型導電涂料由高分子聚合物、導電填料、溶劑和助劑等共同構成。當前，常用的導電填料有金屬系填料、碳系填料、金屬氧化物系填料、復合填料以及新型納米導電填料等。復合型導電涂料的導電機理比較復雜，其主要導電機理有無限網鏈理論、熱力學理論與競爭理論。這三種理論從不同方向闡述了導電機理，分別為：導電粒子含量；導電體系界面能和導電粒子含量的關系；導電通道機理、隧道效應機理和場致發射機理的競爭關系。

總的來說，功能涂料兼具傳導電子和排除累積電荷的能力，其在航天航空、電子以及石油化工等領域備受人們青睞。功能涂料種類較多，常用的導電填料有銀粉、鎳粉、銅粉、炭黑、石墨以及碳纖維等[5]。在碳結構填料中，納米碳具備較大的長徑比和較好的導電性能，質量比其他填料輕，密度較小，所以其在涂料中不容易產生沉淀，在功能涂料領域受到人們的普遍關注。

2.2 電磁屏蔽復合涂料

當今社會，電子科技快速發展，通信設備已經普及，為人們的生活提供了很多便利，可是會伴隨電磁干擾，電磁輻射會威脅人體健康。當前，電磁屏蔽復合涂料是研究熱點，導電填料是其主要組分之一。其和功能涂料比較類似，電磁屏蔽涂料加入適量的納米碳，就能夠展現出良好的電磁屏蔽效果，能夠顯著降低電磁干擾[6]。研究發現，提升電磁屏蔽涂料的納米碳用量，能夠強化涂料屏蔽能力。在構成電網鏈時，球狀納米碳彼此接觸的概率有所提升，構成一種非常好的導電網絡，隨著球狀納米碳體積的減小，涂料的屏蔽效能不斷增強。

2.3 隱身吸波涂料

隱身吸波涂料是現代隱身技術的重要突破，在飛行器和雷達等裝備領域獲得廣泛應用。涂料主要使用黏結劑和吸收劑，黏結劑作為膜物質，吸收劑的電磁參數顯著影響涂料吸波性能。當前，常用的吸收劑有導電炭黑、鐵氧體、金屬性質超細粉末、羰基鐵和納米吸收劑等[7-10]。其中，納米碳作為吸收劑，展現出非常好的吸收特性，其制備的吸波涂料擁有優越的力學性能，納米碳是當前隱身吸波涂料領域需要重點研究的一種材料。

3 球狀納米碳功能涂料發展方向

在功能涂料中，納米碳是一種新型材料，通過改性和預處理，它能夠廣泛應用在交通、建筑、器械和石油化工等領域[11-13]。要想不斷拓展納米碳材料應用領域，人們就需要改善納米碳在純化、修飾、表征與組裝等方面的性能[14-17]。

3.1 改進制備方法，提高純度和質量，降低生產成本

當前，球狀納米碳制備技術仍然存在較大的缺陷，生產成本較高，產品純度較低，使得納米碳的有效推廣和使用受到制約。所以，首先要大力研發大規模制備納米碳材料的方法，不斷提高其純度和質量，減少生產成本。

3.2 加強納米碳分散條件研究，促進粒子吸附和團聚

納米碳具有較大的長徑比和比表面積，具備非常好的應用優勢。可是，納米碳粒子間存在非常強大的范德華力，因此彼此經常吸附、團聚。為了持續有效使用涂料，人們要分析納米碳在涂料中的分散條件，增強其分散效果，削弱范德華力的影響，解決粒子彼此吸附和團聚的問題。

3.3 增強兩相界面的黏合力，提升涂料使用壽命

功能涂料會應用在惡劣環境，因此人們要增強納米碳的膜基體界面結合力，使用修飾改性等措施促進兩相界面的黏合，延長涂料的使用壽命。

3.4 加強納米碳使用條件分析，明確作用機理

不同類型的涂料存在功能差異，納米碳應用方法并不清晰。目前，在球狀納米碳的實際應用中，不論是用量還是作用機理都比較模糊。今后要加強不同涂料的作用機理研究，分析與總結納米碳在不同涂料中的使用條件。

4 結語

當前，涂料行業不斷發展，更加關注產品性能，追求實現生態化發展。納米碳具備良好的物理性能和化學性能，不僅可以滿足涂料性能需求，還可以有效滿足環保要求，是一種十分理想的環保材料，不會對環境造成污染。當前，我國納米復合涂料發展非常迅速，但是并不成熟。人們需要持續開展研究，使得納米復合涂料朝產業化方向快速發展，最終令我國涂料工業進入新的發展階段。